Regelungstechnik
Temperaturmesstechnik (1)
luk11/2009, 2 Seiten
Charakteristik der Temperatur Die Temperatur ist eine thermodynamische Zustandsgröße, die den Wärmezustand (Energiezustand) eines Stoffes kennzeichnet. Sie ist ein Maß für die Intensität der Wärmeenergie. Als Formelzeichen verwendet man das griechische Theta oder den Buchstabe T. Die Temperatur kann in drei Einheiten angegeben werden: · Kelvin K; [T] = K · Grad Celsius °C; [] = °C · Grad Fahrenheit °F; [] = °F Für Temperaturänderungen wird die Einheit Kelvin genutzt. Als Skala wird die ITS-90 (IST „International Temperature Scale of 1990“) verwendet. Die Einheiten lassen sich folgendermaßen umrechnen, wobei 1 °C = 1 K entspricht: (°C) = T (K) -273,15 K (°F) = 1,8 · (°C) + 32 (°C) Als Fixpunkte lassen sich für Wasser der Tripelpunkt bei 0,01 °C und der Siedepunkt bei 100 °C feststellen. In der Thermodynamik ist der Dreiphasenpunkt (Tripelpunkt) der Punkt, an dem die drei Phasen eines Systems bei gleichbleibendem Druck und unveränderter Temperatur im Gleichgewicht sind. Das bedeutet für Wasser, dass Wasserdampf, flüssiges Wasser und Eis gleichzeitig vorkommen und sich die Mengenverhältnisse der drei Phasen am Tripelpunkt nicht ändern. Es verdampft zwar immer - auch in diesem Zustand - etwas Eis zu Wasserdampf (Sublimation) und Wasser zu Wasserdampf (Verdunstung), gleichzeitig schmilzt auch Eis zu Wasser. Die Temperatur ist neben dem Druck die am häufigsten gemessene physikalische Größe der Technik. In industriellen Prozessen liegen die zu messenden Temperaturen im Bereich von -200 °C bis + 3000 °C. Beim Plasma sind auch Temperaturen bis zu -273 °C oder +100000000 °C messbar. Messprinzipien Die Messung der Temperatur kann über verschiedene Prinzipien erfolgen: · Ausdehnung von Gas, Flüssigkeiten, festen Stoffen; · elektrischer Widerstand von Metallen/ Stromfluss in Halbleitern; · Strahlungsdichte glühender Stoffe; · Resonanzfrequenz eines Schwingquarzes. Die Messung der Temperatur erfolgt mit Einrichtungen oder Geräten, deren Eingangsgröße die Temperatur ist und deren Ausgangssignal eindeutig von der Temperatur abhängt. Für unterschiedliche Messaufgaben sind unter Berücksichtigung des erforderlichen Temperatureinsatzbereiches oder Verwendungsbereiches, der erforderlichen Genauigkeit und den konkreten Einbau-und Prozessbedingungen eine Vielzahl technischer Temperaturmessverfahren und -einrichtungen (Thermometer) entwickelt worden. Sie lassen sich in berührungslose und berührende Verfahren unterteilen. Berührungslose Temperaturmessung Bei der berührungslosen Messung wird die Wärmestrahlung, die von dem Messobjekt emittierende Strahlungsenergie genutzt. Da jeder Körper oberhalb des absoluten Temperaturnullpunktes eine elektromagnetische Strahlung aussendet und diese in Zusammenhang mit der Oberflächentemperatur des Körpers steht, kann hierüber mit geeigneten Messgeräten eine berührungslose Temperaturmessung erfolgen. Zu diesen Messgeräten zählen (Bild ): · Spektralpyrometer · Bandstrahlungspyrometer -50 °C... 4000 °C · Gesamtstrahlungspyrometer. Beispiele für die Anwendung der berührungslosen Temperaturmessung sind u. a. die Energiekontrolle, Ermittlung von Stromverteilungen, Messungen an Transformatoren, bei Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten sowie bei der Papier-oder Glasherstellung. Berührende Temperaturmessung Bei der berührenden Messung misst man mit mechanischen oder elektrischen Berührungsthermometer die Temperatur. Im Bild sind Beispiele für mechanische Berührungsthermometer dargestellt. Man unterscheidet folgende mechanische Berührungsthermometer: · Flüssigkeitsglasthermometer (Ausdehnungsthermometer) -150 °C ... 800 °C · Flüssigkeitsfeder- und Dampfdruckfederthermometer -60 °C ... 500 °C · Metallausdehnungsthermometer (Bimetall oder Invarstab) -50°C...400 °C. Elektrische Berührungsthermometer Elektrische Berührungsthermometer lassen sich in vier Gruppen einteilen (Bild ): · Thermistoren (NTC- oder PTC-Thermistor) -50 °C ... 120 °C Das Messen der physikalischen Größe Temperatur gehört zu den Standardaufgaben eines Technikers. Das Wesen der Temperatur sowie deren unterschiedliche Messprinzipien sind Schwerpunkt der Betrachtungen im Beitrag. Regelungstechnik Temperaturmesstechnik (1) F a c h w i s s e n L e r n f e l d e r 6 - 1 3 6 LERNEN KÖNNEN 11/09 Strahlungsthermometer (Beispiele) [1] Mechanische Berührungsthermometer Metallausdehnungs- (links) und Gasausdehnungsthermometer (rechts) · Silizium-Temperatursensoren -50 °C ... 125 °C - ohne Sperrschicht (z. B. KTY 10 ...) - integrierte Form (AD 590, LM 35) · Widerstandsthermometer (z. B. Pt 100, Ni 100) -200 °C...850 °C · Thermoelement (z. B. Typ J, Eisen-Konstantan Fe - CuNi) 0 °C...1800 °C Thermistoren Der Begriff Thermistor setzt sich aus den englischen Worten „thermal sensitive resistor“ zusammen. Bestimmte Halbleiter-Keramiken lassen sich, je nach Materialzusammensetzung, in der Temperaturmesstechnik nutzen, weil sich der Widerstandswert der Keramik in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Thermistoren gehören zur Gruppe der nichtlinearen Widerständen. Entsprechend dem Vorzeichen ihres Temperaturkoeffizienten werden sie als Heißleiter (NTC-Widerstände) oder Kaltleiter (PTC-Widerstände) bezeichnet. NTC. Negative temperature coefficient: fallender Widerstandswert bei steigender Temperatur. PTC. Positive temperature coefficient: steigender Widerstandswert bei steigender Temperatur. Die Temperatur-Widerstands-Kennlinien zeigen, besonders bei PTC-Thermistoren fast sprungförmiges Verhalten, sodass diese Bauelemente meist nur für Überwachungsaufgaben eingesetzt werden. Eine Temperaturmessung im engeren Sinne wird mit diesen Bauelementen nur selten durchgeführt. Sie lassen sich jedoch z. B. gut im thermischen Maschinenschutz einsetzen, da die Sensorelemente sehr klein sind und so schnell der Temperaturänderung folgen. Sie weisen kleine Zeitkonstanten auf und werden daher auch als Sekundenthermometer bezeichnet. Verglichen mit den Widerstandstemperaturfühlern liegt der Temperaturkoeffizient mindestens um eine Größenordnung höher, jedoch muss der Anwender bei ihnen eine wesentlich größere Nichtlinearitäten in Kauf nehmen. Thermistoren arbeiten üblicherweise in den folgenden Temperaturbereichen: NTC: -50 °C ... +350 °C PTC: -50 °C ... +180 °C. NTC-Widerstände Zur Herstellung von Heißleitern werden verschiedene Metalloxide oder Eisenoxide gemischt, mit Bindemitteln versetzt und dann in der gewünschten Form bei Temperaturen zwischen 1000 °C...1400 °C gesintert. Sie werden in verschiedenen Bauformen hergestellt. Aus der Temperatur-Widerstand-Kennlinie (Bild ) kann der Kennwiderstand des Thermistors abgelesen werden. Der Kennwiderstand ist jeweils der Widerstandwert des Bauelements bei der Temperatur = 20 °C. Die Bezeichnung NTC1300 bedeutet demnach: bei 20 °C weist das Bauelement einen Widerstandswert von 1 300 auf. Wegen des großen Widerstandsbereiches besitzen die Kennlinien häufig eine halblogarithmische Teilung. Bei der Anwendung von Thermistoren werden zwei Anwendungsbereiche unterschieden: · fremderwärmte Heißleiter, · eigenerwärmte Heißleiter. Bei fremderwärmten Heißleitern muss der Messstrom so klein gewählt werden, dass die Thermistoren nicht durch den elektrischen Strom im Bauelement erwärmt werden. Eigenschaften. NTC-Widerstände sind robust gegen äußere Einflüsse und weisen eine hohe Lebensdauer auf. Sie haben eine kleine Bauform (Bild ) und eine hohe Empfindlichkeit (3...5 %/K). Bei gutem Preis-/Leistungsverhalten sind sie gut reproduzierbar (mechanisch, thermisch, elektrisch stabil). Der Temperaturbereich reicht bei Perlenheißleiter bis 500 °C und der große Nennwiderstandsbereich geht von 1 bis 500 k. Anwendung. NTC-Widerstände finden als Kompensationsheißleiter zum Ausgleich für Bauelemente mit PTC-Verhalten ihren Einsatz. Auch als Messheißleiter sowie in Klimaanlagen und Kühlgeräten sind sie in der Praxis zu finden. J. Uphaus Literatur [1] Uphaus, J.: Regelungstechnik - Projekte für den Lernfeldunterricht; Aufgaben, Anwendungen, Simulationen Arbeitsheft. 2. Auflage. Troisdorf: Bildungsverlag EINS 2008. Regelungstechnik F a c h w i s s e n L e r n f e l d e r 6 - 1 3 LERNEN KÖNNEN 11/09 Temperaturmesswertaufnehmer Fühler - Sensor Widerstandsmessfühler (RTD) Thermoelemente (TC) Halbleiter z. B. PT 100 Ni 100 z. B. Typ J (Cu-Konst) Typ K (NiCr-Ni) ohne Sperrschicht PTC NTC n-dotiertes Silizium polykrist. Silizium KTY xx TD xx „low cost“ mit Sperrschicht Diode Transistor integierte Halbleiter mit Digitalausgang 1N4148 BC 107 LM 35/335 AD 590/592 DS 1623 SMT 160-30 TMP 122 Elektrische Berührungsthermometer 104 103 102 101 100 10-1 -50 0 50 100 150 1300 500 130 NTC-Kennlinie R() (Rockwell Automation) 0,1...0,8 0,2...0,3 0,15...1,6 Angaben in mm Bauformen und Schaltzeichen von NTC-Widerständen Scheiben-, Perl-, SMD- und Einschraubform (von links nach rechts)
Autor
- J. Uphaus
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